CN104901152A - 一种新型飞秒光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型飞秒光纤放大器，其特征在于包括有顺次设置的用于输出带正色散线偏振光的飞秒振荡输出模块、用于预压缩并获得一定负色散光的预压缩模块、用于能量放大及自相位调节抑制三阶色散的双包层光纤放大模块、以及用于二次压缩后输出的二次压缩模块。本案结构紧凑，采用了两个压缩模块，可以联动调节以得到最佳的输出脉冲形状，首先在飞秒振荡输出模块预先引入少量的负色散，通过预压缩模块进行预防大，可以在有效放大脉冲能量的同时减弱放大后光脉冲的三阶色散带来的旁瓣能量，得到近似傅里叶变换极限形状的脉冲，非常适合对热效应非常敏感的微加工行业。

Description

一种新型飞秒光纤放大器

[技术领域]

本发明涉及一种新型飞秒光纤放大器。

[背景技术]

高功率飞秒激光在工业加工，生物和医学领域有着极大的应用前景。相较于固体锁模激光器，光纤激光器有着以下的显著的优势：成本低，体积小，高效率，高光束质量，高稳定性。基于光纤技术的飞秒激光放大和普通的固态放大的区别在于，光纤高的表面积体积比能够有效地增强散热，在中小功率放大中，毋需引入水冷等手段。近些年新兴的以飞秒激光角膜手术为代表的飞秒激光应用对激光提出了新的要求。在这些应用中对于飞秒激光的单脉冲能量要求在几十到一百纳焦，但是对于脉冲的宽度和脉冲的时域形状以及重频频率都有一定的要求，而基于这种应用的光纤的各种放大器也是如今世界上研究的热点。

飞秒激光的放大技术从连续光放大脱胎而来，但是技术比连续光放大要复杂的多，总结来说，基本上主要有单包层单模光纤放大器，双包层单模光纤放大器，基于微结构光子晶体光纤的放大器等。其中后两个的技术都是运用高功率的半导体多模泵浦光源。

双包层放大技术的独特之处在于其增益介质为双包层光纤，由掺杂纤芯、内包层、外包层、保护层四部分组成，与常规光纤相比，多了一个可以传输抽运光的内包层。纤芯由掺稀土元素的二氧化硅构成，它作为产生激光的波导，一般情况下是单模的；内包层由横向尺寸和数值孔径都比纤芯大得多、折射率比纤芯小的二氧化硅构成，是泵浦抽运光的主要通道。内包层限制的是泵浦光，对泵浦光来说是一个多模光纤，所以可以容纳高功率的泵浦光。泵浦光一般由合束器的泵浦端耦合进入双包层光纤，在内包层传输过程中，以折射方式反射穿越纤芯，被掺杂离子吸收，形成离子束反转以实现增益。信号光在另一端耦合进入纤芯，最终获得高功率、光束质量好的放大激光脉冲。而基于保偏光纤原理所涉及的双包层保偏增益光纤更是比普通光纤有更好的放大效率和更高的偏振性，这更适合某些偏振选择性的压缩器的压缩，或者放大后倍频等应用。

不同于普通的连续、准连续或者纳秒激光器对信号光的直接放大方法，在飞秒激光器的放大中，尤其是在种子源输出后的预防大中，经常使用啁啾脉冲放大(CPA)技术。在光纤放大器中一般通过长距离的光纤(km量级)或是光栅引入过量的色散将脉冲展宽至几十至几百皮秒，待采用双包层或者光子晶体光纤放大之后再通过压缩器将过量的色散补偿回来。这种方法引入了大量的光纤，导致放大后的光纤中有很强的三阶色散。所以，在光被放大后，采用光栅或者棱镜对的线性压缩器通常无法将三阶色散补偿，从而导致脉冲旁瓣过大。旁瓣中的能量甚至远远高于主脉冲的能量，这就严重影响了主脉冲的峰值功率，同时也破坏了飞秒激光的冷加工的特性，使脉冲加工时引入了明显的热效应。在近几年兴起的飞秒激光眼科LASIK应用中，只需要数十纳焦耳能量就可以实现角膜中的微小爆破。如果脉宽降低到100fs量级，所需要的能量更小。小脉冲能量、高峰值功率、高重复频率可以最大限度地减少爆破的冲击和孔的大小，提高制瓣速度，使LASIK手术更加安全和快捷。然而假如在放大后的脉冲中有明显的三阶色散效应，就会导致在加工角膜制瓣的过程中引入过多的热效应，使得加工的精度严重下降，对组织的附加破坏也会增大。

在针对上述这些应用的光纤超短脉冲放大器设计思想中，对放大后脉冲时域上脉冲形状考虑要优先于放大后单脉冲能量的考量，这样才能在放大后得到较好的傅里叶变换受限脉冲。如何有效地高保真地在光纤中放大飞秒脉冲一直是比较困难的问题。

[发明内容]

本发明克服了上述技术的不足，提供了一种新型飞秒光纤放大器，其采用预压缩、放大、二次压缩和双包层光纤放大技术，有效得到近似傅里叶变换极限形状的脉冲。

为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种新型飞秒光纤放大器，包括有顺次设置的用于输出带正色散线偏振光的飞秒振荡输出模块、用于预压缩并获得一定负色散光的预压缩模块、用于能量放大及自相位调节抑制三阶色散的双包层光纤放大模块、以及用于二次压缩后输出的二次压缩模块。

所述飞秒振荡输出模块包括顺次设置的飞秒振荡源1、第一二分之一波片2、以及第一偏振分束立方3，所述第一偏振分束立方3的透射分束端顺次设置有法拉第旋转镜4、第二二分之一波片5、以及第二偏振分束立方6，所述第二偏振分束立方6的透射分束端作为所述飞秒振荡输出模块的输出端。

所述预压缩模块包括有用于接收所述飞秒振荡输出模块出射光的第一透射光栅9，所述第一透射光栅9后端设有用于将所述第一透射光栅9透射光平行反射回第一透射光栅9的第一角镜对10，所述第一透射光栅9前端设有用于将经所述第一角镜对10、第一透射光栅9后的出射光平行反射回第一透射光栅9的第二角镜对8和用于将经第二角镜对8、第一透射光栅9、第一角镜对10、第一透射光栅9后的出射光转向输出的第一转向用角镜7。

所述预压缩模块还包括有用于控制所述第一角镜对10相对其入射光出射光方向来回平移的平移台，所述第一角镜对10设置在所述平移台上。

所述双包层光纤放大模块包括有顺次设置的用于接收所述预压缩模块出射光的第二转向用角镜11、第三二分之一波片12、第一保偏准直器13、保偏泵浦合束器16、双包层保偏增益光纤17、第二准直器18、第四二分之一波片19、以及用于转向输出的第三转向用角镜20，所述保偏泵浦合束器16泵浦输入端上连接有泵浦保护器15，所述泵浦保护器15输入端连接有多模泵浦源14。

所述二次压缩模块包括有顺次设置用于接收所述双包层光纤放大模块出射光的第二透射光栅23、第三透射光栅22、以及用于将所述第三透射光栅22出射光平行反射回第三透射光栅22的第三角镜对21，所述第二透射光栅23前端设有用于将经第三角镜对21、第三透射光栅22、第二透射光栅23后出射光转向输出的第四转向用角镜24，所述第四转向用角镜24出射端作为飞秒光纤放大器的输出端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、结构紧凑，采用了两个压缩模块，可以联动调节以得到最佳的输出脉冲形状，首先在飞秒振荡输出模块预先引入少量的负色散，通过预压缩模块进行预防大，可以在有效放大脉冲能量的同时减弱放大后光脉冲的三阶色散带来的旁瓣能量，得到近似傅里叶变换极限形状的脉冲，非常适合对热效应非常敏感的微加工行业。

2、在预压缩模块中，光四次通过了第一透射光栅，第一次通过第一透射光栅时将光的不同波长分量在空间衍射发散开，第二次通过第一透射光栅时将光束准直，第三次通过第一透射光栅时，将光的不同分量再次汇聚，第四次通过第一透射光栅时，又将光的不同波长分量合成一束，有效地还原了光的物理尺寸，实现了光的负啁啾引入。

3、双包层光纤放大模块采用双包层保偏增益光纤，其有效减小放大过程中引入的光纤其它的高阶非线性效应。

4、在二次压缩模块中，调节第二透射光栅、第三透射光栅之间的距离可以改变二次压缩模块所引入的色散值，即改变脉冲的色散值，有效地实现了光脉冲的二阶色散的压缩。

[附图说明]

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明的总体光路图。

图3是本发明的预压缩模块光路图。

图4是本发明的二次压缩模块光路图。

图5是本发明实施例最终输出脉冲的强度自相关图形。

[具体实施方式]

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1所示，一种新型飞秒光纤放大器，包括有顺次设置的用于输出带正色散线偏振光的飞秒振荡输出模块、用于预压缩并获得一定负色散光的预压缩模块、用于能量放大及自相位调节抑制三阶色散的双包层光纤放大模块、以及用于二次压缩后输出的二次压缩模块。

如图2所示，所述飞秒振荡输出模块包括顺次设置的飞秒振荡源1、第一二分之一波片2、以及第一偏振分束立方3，所述第一偏振分束立方3的透射分束端顺次设置有法拉第旋转镜4、第二二分之一波片5、以及第二偏振分束立方6，所述第二偏振分束立方6的透射分束端作为所述飞秒振荡输出模块的输出端。

如图2、3所示，所述预压缩模块包括有用于接收所述飞秒振荡输出模块出射光的第一透射光栅9，所述第一透射光栅9后端设有用于将所述第一透射光栅9透射光平行反射回第一透射光栅9的第一角镜对10，所述第一透射光栅9前端设有用于将经所述第一角镜对10、第一透射光栅9后的出射光平行反射回第一透射光栅9的第二角镜对8和用于将经第二角镜对8、第一透射光栅9、第一角镜对10、第一透射光栅9后的出射光转向输出的第一转向用角镜7。

如上所述的预压缩模块还包括有用于控制所述第一角镜对10相对其入射光出射光方向来回平移的平移台，所述第一角镜对10设置在所述平移台上。

如图2所示，所述双包层光纤放大模块包括有顺次设置的用于接收所述预压缩模块出射光的第二转向用角镜11、第三二分之一波片12、第一保偏准直器13、保偏泵浦合束器16、双包层保偏增益光纤17、第二准直器18、第四二分之一波片19、以及用于转向输出的第三转向用角镜20，所述保偏泵浦合束器16泵浦输入端上连接有泵浦保护器15，所述泵浦保护器15输入端连接有多模泵浦源14。

如图2、4所示，所述二次压缩模块包括有顺次设置用于接收所述双包层光纤放大模块出射光的第二透射光栅23、第三透射光栅22、以及用于将所述第三透射光栅22出射光平行反射回第三透射光栅22的第三角镜对21，所述第二透射光栅23前端设有用于将经第三角镜对21、第三透射光栅22、第二透射光栅23后出射光转向输出的第四转向用角镜24，所述第四转向用角镜24出射端作为飞秒光纤放大器的输出端。

本案的一个具体实施例如下：

使用输出带宽约为10nm，带有过量正色散且未经过压缩的飞秒振荡源1，其直接输出的重频为20M，脉冲宽度约为5ps，功率约为300mW，S线偏振。输出的种子光经过第一二分之一波片2在特定角度的旋转变为P偏振并穿过由第一偏振分束立方3、法拉第旋转镜4、第二二分之一波片5和第二偏振分束立方6所组成的光隔离器。种子光由光隔离器穿出后首先进入由第一透射光栅9、第一角镜对10、第二角镜对8、第一转向用角镜7所组成的预压缩模块。种子光穿过预压缩模块后获得一定的负啁啾，并由第二转向用角镜11反射，穿过调节适当角度的第三二分之一波片12后进入第一保偏准直器13。976nm的10W多模泵浦源14的泵浦光经过泵浦保护器15注入保偏泵浦合束器16，进入双包层保偏增益光纤17的内包层对增益纤持续进行泵浦。信号光由第一保偏准直器13进入后进入保偏泵浦合束器16的信号端，并从保偏泵浦合束器16的公共端出射进入双包层保偏增益光纤17的纤芯。经过约4m的双包层保偏增益光纤17放大后，由熔接在双包层保偏增益光纤17末端的第二准直器18导出到自由空间，然后通过第四二分之一波片19、第三转向用角镜20后被入射到由第二透射光栅23、第三透射光栅22、第三角镜对21、第四转向用角镜24组成的二次压缩模块，该二次压缩模块通过第三透射光栅22和第二透射光栅23来调节压缩量的大小，压缩后的光脉冲最终由第四转向用角镜24转向输出。

如图3所示，在预压缩模块中，飞秒振荡输出模块的出射光首先打入第一透射光栅9，并且被衍射后进入第一角镜对10，水平放置且反射面互相垂直的第一角镜对10将光沿水平方向平行返回到第一透射光栅9，并被第一透射光栅9准直进入上下竖直放置且反射面互相垂直的第二角镜对8，该第二角镜对8将来光沿竖直方向下降约5mm，并平行返回至第一透射光栅9，此时信号光被再次汇聚并第二次经第一角镜对10反射，反射回的光最后第四次通过第一透射光栅9并被合为一束然后沿入射至预压缩模块的光方向返回，此时对于预压缩模块整体而言，入射光和返回光在同一竖直平面且反射光在入射光下方约5mm处。如上所述，在入射光的下方放置第一转向用角镜7，其作用是使反射光刚好被反射入双包层光纤放大模块上的第二转向用角镜11而又不阻挡入射光进入预压缩模块。

如上所述，在预压缩模块中，光四次通过了第一透射光栅9，第一次通过第一透射光栅9时将光的不同波长分量在空间衍射发散开，第二次通过第一透射光栅9时将光束准直，第三次通过第一透射光栅9时，将光的不同分量再次汇聚，第四次通过第一透射光栅9时，又将光的不同波长分量合成一束。所述的负色散的引入发生在第一次通过第一透射光栅9后和第二次通过第一透射光栅9前，以及第三次通过第一透射光栅9后和第四次通过第一透射光栅9前。

如上所述，在二次压缩模块中，放大后的光经过第二透射光栅23后波长分量被衍射发散，再次通过第三透射光栅22后不同波长分量变为平行传播，经第三角镜对21平行反射后，再次通过第三透射光栅22光束被汇聚，最后通过第二透射光栅23，光束又被合束。调节第二透射光栅23与第三透射光栅22之间的距离可以改变二次压缩模块所引入的色散值，即改变脉冲的负的预啁啾。

如上所述，预压缩模块采用四次通过单光栅的方法对飞秒振荡输出模块输出的正色散的线偏振光进行预压缩，获得一定的负色散，然后导入到双包层光纤放大模块中进行放大，一定负啁啾光脉冲在双包层光纤放大模块的光纤行进过程中，会达到二阶色散零点，并且进一步引入正色散，在这个脉冲色散、光谱和时域脉冲形状演化过程中，脉冲的自相位调制会恰好补偿或者减弱光纤带来的三阶色散。放大后进行二次压缩，二次压缩模块通过双次通过双光栅的方法再次补偿余下光纤所引入的正色散，最终在压缩器出口处获得近似傅里叶变换受限的飞秒激光。

如上所述，获得近傅里叶变换受限脉冲的判断方法是在最终放大级的输出端架设自相关仪，调节二次压缩模块上第二透射光栅23、第三透射光栅22之间的距离来观察脉冲的形状，当输出脉冲压缩后主脉冲的宽度达到最小时，即判断为在压缩器的出口处获得了近似傅里叶变换受限的飞秒激光。在本实施例中，最终获得了输出脉宽50fs，重频20M，输出功率大于2W的输出参数。如图5所示，在自相关仪上强度自相关显示，脉冲形状近似高斯型，能量集中在主脉冲中心，没有明显的时域上由三阶色散引起的旁瓣现象，该放大脉冲的自相关图说明该飞秒光纤放大器输出了高质量的低三阶和高阶色散的飞秒脉冲。

如上所述，本案保护的是一种新型飞秒光纤放大器，一切与本案结构相同或与本案具体实施方式相近的技术方案都应示为落入本案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种新型飞秒光纤放大器，其特征在于包括有顺次设置的用于输出带正色散线偏振光的飞秒振荡输出模块、用于预压缩并获得一定负色散光的预压缩模块、用于能量放大及自相位调节抑制三阶色散的双包层光纤放大模块、以及用于二次压缩后输出的二次压缩模块。

2.根据权利要求1所述的一种新型飞秒光纤放大器，其特征在于所述飞秒振荡输出模块包括顺次设置的飞秒振荡源(1)、第一二分之一波片(2)、以及第一偏振分束立方(3)，所述第一偏振分束立方(3)的透射分束端顺次设置有法拉第旋转镜(4)、第二二分之一波片(5)、以及第二偏振分束立方(6)，所述第二偏振分束立方(6)的透射分束端作为所述飞秒振荡输出模块的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种新型飞秒光纤放大器，其特征在于所述预压缩模块包括有用于接收所述飞秒振荡输出模块出射光的第一透射光栅(9)，所述第一透射光栅(9)后端设有用于将所述第一透射光栅(9)透射光平行反射回第一透射光栅(9)的第一角镜对(10)，所述第一透射光栅(9)前端设有用于将经所述第一角镜对(10)、第一透射光栅(9)后的出射光平行反射回第一透射光栅(9)的第二角镜对(8)和用于将经第二角镜对(8)、第一透射光栅(9)、第一角镜对(10)、第一透射光栅(9)后的出射光转向输出的第一转向用角镜(7)。

4.根据权利要求3所述的一种新型飞秒光纤放大器，其特征在于所述预压缩模块还包括有用于控制所述第一角镜对(10)相对其入射光出射光方向来回平移的平移台，所述第一角镜对(10)设置在所述平移台上。

5.根据权利要求1所述的一种新型飞秒光纤放大器，其特征在于所述双包层光纤放大模块包括有顺次设置的用于接收所述预压缩模块出射光的第二转向用角镜(11)、第三二分之一波片(12)、第一保偏准直器(13)、保偏泵浦合束器(16)、双包层保偏增益光纤(17)、第二准直器(18)、第四二分之一波片(19)、以及用于转向输出的第三转向用角镜(20)，所述保偏泵浦合束器(16)泵浦输入端上连接有泵浦保护器(15)，所述泵浦保护器(15)输入端连接有多模泵浦源(14)。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种新型飞秒光纤放大器，其特征在于所述二次压缩模块包括有顺次设置用于接收所述双包层光纤放大模块出射光的第二透射光栅(23)、第三透射光栅(22)、以及用于将所述第三透射光栅(22)出射光平行反射回第三透射光栅(22)的第三角镜对(21)，所述第二透射光栅(23)前端设有用于将经第三角镜对(21)、第三透射光栅(22)、第二透射光栅(23)后出射光转向输出的第四转向用角镜(24)，所述第四转向用角镜(24)出射端作为飞秒光纤放大器的输出端。